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《量子的故事——四十个关键历史时刻》摘译

   ——作者  吉姆·巴格特

   英语原文(original text)


 

中文译者:  谢国芳

      Email:  roixie@163.com  

  

 

 

第18章. “谢尔特岛,1947年6月”

    —— QED 诞生记

1. 导言  

把注意力从(原子弹等)战争武器转移开重新回归到量子理论问题上的时机终于到来了。理论物理消沉了将近二十年。“最近的十八年是本世纪中最贫瘠的”,哥伦比亚大学的物理学家拉比(Isidor Rabi)说。

关于量子力学的诠释的争论结束了,或者大多数物理学家这么认为,但是还有很多其他问题让人忧心。狄拉克(Paul Dirac)的突破建立了一个关于电子的相对论方程,它能预测电子自旋的性质和反电子的存在,这诚然是一个伟大的胜利,但同时它也很快变成了死胡同。量子力学能成功地预测“静态”的性质和行为,在这些“静态”中,诸如电子等单个的量子化粒子保持了它们的完整性, 但这时的量子力学还无法处理粒子被消灭和新粒子产生的动态情况。

比如说,有一点变得很明显,当一个电子和一个正电子发生碰撞时,人们能预期这两个粒子“湮灭”生成高能(伽玛射线)光子。反之,在足够高的能量,伽玛射线光子能自发地生成一个正负电子对。如果量子力学不能处理这些事情,什么能够呢?一些物理学家承认我们需要一个关于场的量子化理论,首先是需要一个麦克斯韦电磁场方程的量子版。

这些物理学家认识到场比粒子更基本,他们相信,对一个量子场的适当的描述应该产生作为场本身的量子的粒子,它把力从发生相互作用的一个粒子传递到另一个粒子。 光子是电磁场的量子这一点似乎是很清楚的,当带电粒子相互作用时它们被产生和消灭。为了解释电子的产生和消灭,就需要一个关于“电子场”的量子化理论。

 

保罗·狄拉克(Paul Dirac)

 

海森堡(Werner Heisenberg)和泡利(Wolfgang Pauli)在1929年发展了一种量子场论,当把它应用到电子场的时候,它就变成了量子电动力学的一种形式。人们发现由此得到的场方程没有精确解,必须依靠一种基于微扰展开的方法才能求解。这时他们碰到了一个很大的麻烦,展开级数中更高阶的项本应该给计算结果提供越来越小的修正,但是他们发现展开级数中的某些项产生了无穷大的“修正”,这是一个从物理上讲没有意义的结果。

后来人们确定无穷大的出现归根于粒子和它们自身的场的相互作用所产生的粒子的“自能”,这是理论上把它们当作没有体积和形状的点粒子处理的结果,没有明显的解决方法。

还有更多的麻烦在酝酿中。无穷大的问题是一个理论上的数学的问题。1947年,新的实验数据指向一些性质更实际的问题,更精密的观测表明狄拉克理论的预测并不和实验符合。

量子理论再次陷入了危机。  

 

      

青年时代的海森堡(左)和泡利(右)

 

 

晚年的海森堡(左)和泡利(右)在一起

 

 

2. 正文  

1945年,纽约洛克菲勒研究院的一个物理化学家邓肯·麦金斯(Duncan MacInnes)产生了创建与会者亲密接触的系列小型学术会议的想法,在这样的会议上,杰出的科学家们将和年轻的新锐学者们一起探讨他们的学科面临的问题。对于大规模的学术会议,他已经感到失望和有戒心了,在此类会议上,学者们常常各说各话而不解决问题,会议议程安排是如此拥挤,以至于论文的陈述占据了大部分时间,即使有讨论,也不受重视。

欧洲的很多地方还正在从一个毁灭性的战争的创伤中恢复过来,欧洲的物理学家们正在慢慢地重拾起他们的学术生涯。 原子弹被视为美国科学和天才创造力(当然,得到了很多对曼哈顿计划作出贡献的移民到美国的欧洲物理学家和英国物理学家的支持)的一个伟大胜利,也许是把美国物理学牢固地置于世界舞台上的时候了,通过在美国建立一个相当于索尔文会议的会议来向世人展示它的成熟。  

麦金斯从美国科学院那里获得了财政支持。提出的会议议题包括量子力学。泡利(他已于在1940年转到了普林斯顿大学)和美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)两人都被邀请就出席者名单和讨论议题提出建议。经过很多回合的磋商,第一个由美国科学院赞助的会议于1947年6月2日至4日在一个位于人烟稀少的谢尔特岛上的一个叫拉姆斯黑德的乡村小旅馆举行。  

当物理学家们抵达长岛的格林坡特村时,他们受到了名星般的接待。这个名声显赫的团体由摩托车队护送着穿过街区。会议吸引了媒体的注意力,报道称“二十三位全国最著名的理论物理学家一一原子弹的制造者们今天在一个乡村旅馆聚会,他们将开始三天的讨论和研究,期间他们希望解决困扰现代物理学的一些困难。”  

与会者包括奥本海默(Oppenheimer)、曾领导过洛斯阿拉莫斯的理论部、现已转到康奈尔大学任教的汉斯•贝特(Hans Bethe)、维克多•魏斯科普夫(Victor Weisskopf)、伊西多•拉比(Isidor Rabi)、爱德华德•泰勒(Edward Teller)、约翰•范•弗莱克(John Van Vleck)、约翰•冯•诺依曼(John von Neumann)和亨德里克•克莱默斯(Hendrik Kramers)。 新生代则由约翰•惠勒(John Wheeler)、阿伯拉罕•派斯(Abraham Pais)、理查德•费曼(Richard Feynman)、朱利安•施温格(Julian Schwinger)等代表。爱因斯坦被邀请出席会议但是他因为健康原因拒绝了。  

......

 

 

未完待续 (to be continued)

 

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1.《色场——爱因斯坦没有发现的理论》摘译